Élément 5 - Université de Mons

dossier : Les systèmes complexes / émergence de la compléxité
d’animaux (p.ex., des nuées de lucioles clignotant
en chœur dans les forêts de Thaïlande
et les mouvements coordonnés des bancs de
poissons) ou encore les applaudissements à
l’unisson d’une assistance enthousiaste à la
fin d’un spectacle ! Ces processus de synchronisation
sont également importants dans
de nombreuses applications technologiques,
notamment liées au couplage de lasers.
a
b
Laser diode
Ω + ∆
Ω
Ω + ∆ / 2
Mirror
c
d
Laser diode
AOM
Mirror
Stabilisation et contrôle
de diodes lasers
Les diodes lasers présentent de nombreux avantages
par rapport aux autres types de lasers. Leur
très petite taille (environ 250 µm), la possibilité
de les produire en masse à bas coût et leur faible
consommation sont autant d’atouts qui les ont
rendues indispensables dans les réseaux de
télécommunications par fibres optiques et les
systèmes de sauvegarde de données (DVD…).
Elles sont par contre extrêmement sensibles aux
rétroactions optiques qui se produisent lorsque la
lumière émise est partiellement réfléchie sur un
obstacle et réinjectée avec un délai dans le laser.
Leur sensibilité à ces perturbations externes est
une conséquence de la mauvaise qualité de leurs
miroirs (la lumière externe est donc facilement
réinjectée) et leur très fort gain qui amplifie ces
perturbations. Celles-ci conduisent à des instabilités
dynamiques qui, à leur tour, dégradent
sévèrement les performances des diodes lasers
comme la cohérence de la lumière émise. D’un
point de vue applicatif, il est évidemment souhaitable
de pouvoir contrôler cette dynamique
pour, par exemple, obtenir un faisceau laser
de puissance constante. Malheureusement la
théorie générale du contrôle ne peut être utilisée
en raison de la forte non-linéarité du système
et des ses fréquences caractéristiques très
élevées (plusieurs GHz). Il est donc nécessaire
d’étudier le dispositif avec les outils développés
pour l’analyse des systèmes non-linéaires
pour pouvoir comprendre ses propriétés et les
modifier de façon ad hoc pour obtenir le comportement
souhaité.
Lorsque le temps pris par une fraction de la lumière
émise pour être réinjectée dans la diode après
réflexion sur un miroir semi-réfléchissant externe
est particulièrement court, la dynamique de ce
Figure 1 : (a) Diode laser soumise à une rétroaction optique : une fraction de la lumière émise est réfléchie sur une surface semi-réfléchissante
et est réinjectée dans la diode. (b) Diode laser soumise à une rétroaction optique avec un décalage de fréquence. Une onde de pression qui
se propage dans le cristal d’un modulateur acousto-optique diffracte la lumière qui le traverse et décale sa fréquence par effet Doppler. Le
rayon diffracté est réfléchi par un miroir et retourne dans le laser en suivant le trajet inverse, subissant au passage par le cristal un second
décalage de sa fréquence. (c) Puissance émise par la diode laser sans et (d) avec décalage de la fréquence de la rétroaction.
Oscillateur
Emetteur
Message
Figure 2 : Un message est masqué dans le signal chaotique généré par un premier oscillateur. Les deux sont injectés à l’extrémité de la ligne
de transmission dans un second oscillateur, réplique du premier. Cet oscillateur reproduisant uniquement le signal généré par le premier,
le message est récupéré en comparant la sortie de la ligne de transmission et le signal produit par le récepteur.
laser est caractérisée par l’émission en rafale
d’impulsions lumineuses. Ces impulsions sont
générées très régulièrement avec une période
proche du retard de la rétroaction mais leur amplitude
décroît graduellement tout au long d’une
même rafale. Pour un ingénieur, il est bien entendu
tentant de tirer parti de la première caractéristique
de ce régime dynamique tout en corrigeant la
seconde, en d’autres mots de conserver l’émission
régulière et à grande cadence d’impulsions
lumineuses mais de modifier le système pour que
Récepteur
Oscillateur
+ -
Message
leur amplitude soit constante. L’étude minutieuse
du système montre que l’émission de chaque
impulsion s’accompagne d’un décalage vers le
rouge de la fréquence optique du laser. On peut
donc avoir l’intuition que si l’on parvenait à induire
un décalage vers le bleu de la fréquence de la
lumière réinjectée, on parviendrait peut-être à
obtenir des impulsions lumineuses d’amplitude
constante 3 . Les simulations numériques [Rogister,
Opt. Lett. 31, 2432 (2006)] confirment cette intuition
comme le montre la Figure 1.
3
Les concepts sur lesquels cette intuition repose sortent du cadre d’une présentation générale. Ils
sont exposés dans la référence Rogister, Opt. Lett. 31, 2432 (2006).
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